CN108139765B - 具有改进的力觉反馈的混合力觉接口 - Google Patents

Abstract

力觉接口，包括：‑按钮(1)，能够由用户旋转；‑交互元件(12)，用于与磁流变流体交互，该交互元件(12)与按钮(1)成一体；‑测量装置，用于测量按钮(1)的当前位置(14)；‑制动器，包括磁流变流体和用于在所述流体中生成磁场的系统(6)；‑旋转电动机，包括以旋转方式与按钮成一体的轴；‑控制单元，为所述磁场生成系统和所述电动机生成命令，以及‑用于检测用户在按钮上动作的意图的装置，控制单元基于检测装置所获得的信息来控制磁场的生成(6)和/或电动机。

Description

具有改进的力觉反馈的混合力觉接口

技术领域

本发明涉及一种具有改进的力觉反馈的混合力觉接口。

背景技术

力觉接口可以采用由用户操作的旋转按钮的形式，在这种情况下，接口根据驱动按钮的角位置和用户所施加的运动来向用户反向施加一阻力矩，由此使得能够限定用户在转动按钮时将感知到的各种力觉模型。

阻力矩可以通过磁流变流体作为媒介传送到按钮，通过施加磁场来修改磁流变流体的表观黏度以限定预定力觉模型。

据说这种接口是被动式的，原因是它仅抵抗由用户生成的力。它不会提供比用户所提供的能量更多的能量。

而且，尽管可以由只实施磁流变材料流体的接口生成丰富的力觉模型，但是该接口无法很好地生成某些具体的力觉模型，诸如例如弹簧效应。当用户对“弹簧”施加力时，被动接口正确地抵抗该运动。另一方面，当用户释放“弹簧”时，用户无法感觉到弹簧的回复力，并且接口不会回到“弹簧”的静止位置。

还有一种被称为主动式的力觉接口，该接口实施可以提供力的电动机。

然而，诸如例如当接口需要重现止动器或虚拟壁的力觉感时，需要相当大尺寸的电动机来提供与磁流变流体接口的阻力等同的阻力。

虽然电动机的尺寸可以减小，但是为了获得等同的制动力需要减小阶段。这种减小阶段由于惯性和所生成的寄生力而对所感觉到的力觉感知是有害的，并且会使接口的“表观度”下降。

除此之外，电动机的实施对转移力的快速或细微的变化造成了困难。会出现振动或控制的不稳定性。

最后，如果由电动机生成的力较大，则这种类型的接口可能对用户有潜在的危险。

文献EP 1698538描述了一种混合力觉接口，该力觉接口包括可以例如由用户直接操作的输出元件、电动机、在电动机和输出元件之间具有磁流变流体的双离合器以及磁流变流体制动器。该电动机以恒定速度旋转。齿轮使得能够产生两个相反的运动方向。磁流变离合器和磁流变制动器各自包括它们自身的密封系统，其中，每个密封系统引入了损害接口的表观度的寄生摩擦。此外，离合器生成摩擦。除此之外，电动机和齿轮永久旋转，产生了持续的运行噪音。接口的尺寸也比较大。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种提供改进的力觉反馈的混合力觉接口，尤其是一种能够重现多种力觉模型的、感知质量高且尺寸合理的力觉接口。

以上所提及的目的通过旋转混合力觉接口来实现，该旋转混合力觉接口包括用于与用户交互的构件、用于与流体交互的构件、用于通过修改流体的黏度来生成可变刺激的装置和旋转电磁致动器，流体的黏度根据控制刺激而改变，两个构件至少以旋转方式或至少以平移方式彼此固定，所述旋转电磁致动器与所述用于与用户交互的构件直接耦接，以使所述电磁致动器可以以旋转方式向所述用于与用户交互的元件施加力。所述接口还具有检测装置，所述检测装置用于在施加到用于与用户交互的元件的运动被用户和位置测量传感器感知之前检测用户的意图动作，以确定用户意图向用于与用户交互的元件施加的运动方向。

当需要重现力觉模型时，电磁致动器例如电动机是主动式的；当电动机不是主动式的时，很少的寄生效应被传送到用户。因此，与仅具有流变流体的力觉接口的惯性相比，该接口的惯性几乎没有增大。

此外，由于电磁致动器直接耦接到用于与用户交互的元件，所以该接口具有一定的紧凑性。

有利地，该电磁致动器的尺寸可以被设定为生成低扭矩的运动，这使得能够节省空间。事实上，使用磁流变制动器获得的相当大的力的消耗以及通过小电动机获得的微弱的力的生成足以产生具有良好质量的力觉感。当力觉接口需要模拟存储能量的元件时，不需要通过力觉接口来给用户回复相当大的力。

有利地，被动式制动器和电磁致动器的耦接使得能够重现新模型，诸如“弹簧”模型。例如，当用户向弹簧施加力时，制动器抵抗运动，而当释放该力时，电磁致动器模拟弹簧的回复动作。

此外，可变黏度的流体制动器包括密封件，该密封件将具有可变黏度的流体封闭在室中并且给运动构件施加压力，而导致残余扭矩(还表示为怠速扭矩)。有利地，可以控制电磁致动器以抵消该扭矩。

非常有利地，电动机可以用于例如在设备断电之后将用于与用户交互的元件重新定位在绝对位置。

此外，上文中所提及的由于需要控制非常高动态的扭矩的电动机控制的实施而产生的不希望的振动不会出现在根据本发明的接口中，这是由于仅使用磁流变流体制动器来控制非常高动态的扭矩。

因此，本发明的主题是一种力觉接口，该力觉接口包括：

-用于与用户交互的元件，能够沿第一方向和第二方向运动，

-用于与流体交互的元件，所述流体的黏度根据外部刺激而改变，所述用于与流体交互的元件至少以平移方式或至少以旋转方式与所述用于与用户交互的元件固定在一起，

-测量装置，用于测量所述用于与用户交互的元件的当前角位置，

-用于确定所述用于与用户交互的元件的旋转方向的装置，

-制动器，包括流体和生成系统，所述流体的表观黏度根据外部刺激而改变，所述生成系统用于在所述流体中按指令生成所述刺激，所述用于与流体交互的元件布置在所述流体中，

-旋转机电装置，包括以旋转方式固定到所述用于与用户交互的元件的轴，

-控制单元，能够为用于生成所述刺激的所述系统和所述机电装置生成命令以修改刺激值；以及

-用于检测由用户施加在所述用于与用户交互的元件上的扭矩的装置，在所述用于与用户交互的元件以旋转方式运动的情况下，为了知道扭矩的方向以及该扭矩是否大于给定方向上的给定值，至少在检测到所述用于与用户交互的元件的速度为零或较低时，所述控制单元基于所获得的有关所述扭矩的信息来控制用于生成所述刺激的所述生成系统。

在有利示例中，所述机电装置包括电动机。

优选地，用于确定所述用于与用户交互的元件的旋转方向的装置由所述用于检测由用户施加在所述用于与用户交互的元件上的扭矩的装置形成，或者使用所述用于测量所述用于与用户交互的元件的当前角位置的所述测量装置的时间变量，

用于检测由用户施加到所述用于与用户交互的元件上的扭矩的装置可包括由施加到所述力觉接口的元件之一上的扭矩引起的变形的两个传感器，所述变形传感器被布置成使得当沿第一方向施加扭矩时，一个变形传感器检测变形，而当沿第二方向施加扭矩时，另一变形传感器检测变形。

在另一实施例中，用于检测由用户施加到所述用于与用户交互的元件上的扭矩的装置包括由施加到力觉接口的元件之一上的扭矩引起的变形的至少一个传感器。优选地，用于检测由用户施加到所述用于与用户交互的元件上的扭矩的装置包括由施加到力觉接口的元件之一上的扭矩引起的变形的两个传感器，所述变形传感器被布置成使得当沿第一方向施加扭矩时，一个变形传感器检测变形，而当沿第二方向施加扭矩时，另一变形传感器检测变形。

优选地，防护体由使防护体的变形不被用户感知的材料制成。

一个或多个力传感器与防护体之间的接触可以是点接触。

力觉接口可以包括框架，该框架上固定有用于检测扭矩或力的装置，防护体一方面固定到制动器上，另一方面固定到框架上，以使当扭矩或力被施加到用于与用户交互的元件时防护体发生变形。

有利地，一个或多个力传感器或者一个或多个变形传感器相对于防护体被布置成使得力传感器关于扭矩或力的测量灵敏度最大化。

在实施例中，所述用于与用户交互的元件以旋转方式运动并且固定到纵向轴线的旋转轴上，所述用于与流体交互的元件以旋转方式固定到旋转轴上，旋转扭矩被确定。然后，制动器可以包括具有与所述旋转轴的轴线同轴的圆形截面的圆筒状壳体，防护体是具有同轴的圆形截面的圆筒并且同轴地布置在壳体周围，其中，一个或多个力传感器或者一个或多个变形传感器被布置在以旋转轴的旋转轴线为中心的圆上。

在实施例中，所述控制单元被配置成为所述机电装置生成命令以将所述用于与用户交互的元件置于至少一个给定位置。

所述控制单元可以被配置成为所述机电装置和用于生成所述刺激的所述系统生成命令，以使所述机电装置和所述生成系统同时作用于所述用于与用户交互的元件上。

根据一附加特征，所述控制单元被配置成为所述机电装置生成命令以使该机电装置给所述用于与用户交互的元件施加扭矩，该扭矩抵消在所述用于与用户交互的元件上施加的摩擦。

根据另一附加特征，所述控制单元被配置成为所述机电装置和用于生成所述刺激的所述系统生成命令，以使得根据所述用于与用户交互的元件的至少一个给定角位置，当所述用于与用户交互的元件沿第一方向和与第一方向相反的第二方向旋转时，用于生成所述刺激的所述系统和/或所述机电装置作用于所述用于与用户交互的元件上以抵抗所述用于与用户交互的元件的旋转，并且使得至少在所述用于与用户交互的元件沿第一方向或第二方向朝向所述给定角位置枢转时，所述机电装置辅助所述用于与用户交互的元件的旋转。

然后，所述控制单元可以被配置成使得当所述用于与用户交互的元件处于所述给定角位置时，为所述机电装置和/或用于生成所述刺激的所述系统生成命令以给所述用于与用户交互的元件施加非零力。作为替选方式，所述控制单元被配置成使得当所述用于与用户交互的元件处于所述给定角位置的任一侧的角区域中时，为所述机电装置和/或用于生成所述刺激的所述系统生成命令以不给所述用于与用户交互的元件施加任何力。例如，控制单元被配置成使得当所述用于与用户交互的元件处于所述角区域的末端时，为所述机电装置和/或用于生成所述刺激的所述系统生成命令以给所述用于与用户交互的元件施加力。

用于检测由用户施加到所述用于与用户交互的元件上的扭矩或力的装置例如包括至少一个力传感器，所述力传感器优选地以预应变方式安装。

作为替选方式，用于检测扭矩的装置可以包括由施加到所述力觉接口的元件之一上的扭矩或力引起的变形的至少一个传感器。

在有利示例中，力觉接口包括防护体，所述防护体被布置成在由用户施加到所述用于与用户交互的元件上的扭矩的作用下变形，该用于检测扭矩或力的装置与所述防护体相接触。

在优选实施例中，流体是磁流变流体，刺激是磁场。

本发明的另一主题是一种用于控制根据本发明的力觉接口的方法，该方法包括以下步骤：

-测量用于与用户交互的元件的当前位置，

-将所述当前位置记录在非易失性存储器中，

-例如在控制单元的电力中断之后，测量所述用于与用户交互的元件的当前位置，

-将所测量的当前位置与所记录的当前位置进行比较，

-控制机电装置以使所测量的当前位置对应于所记录的当前位置。

本发明的另一主题是一种用于控制根据本发明的力觉接口的方法，其目的是重现弹簧式力觉模型，该方法包括以下步骤：

-测量用于与用户交互的元件的当前位置，

-确定所述用于与用户交互的元件的旋转方向，

-控制机电装置以用于沿所述用于与用户交互的元件的运动方向施加力，或者

-控制所述机电装置和/或用于生成所述刺激的所述系统以施加抵抗所述用于与用户交互的元件的运动的力。

本发明的另一主题是一种用于控制根据本发明的力觉接口的方法，该方法包括以下步骤：

-控制机电装置以用于沿所述用于与用户交互的元件的运动方向施加力，以使得所述机电装置施加扭矩，该扭矩抵消在所述用于与用户交互的元件上施加的怠速扭矩。

本发明的另一主题是一种用于控制根据本发明的力觉接口的方法，该方法包括以下步骤：

-根据由测量装置提供的信息而确定所述用于与用户交互的元件的速度，所述测量装置用于测量所述用于与用户交互的元件的当前位置，

-确定施加到所述用于与用户交互的元件上的扭矩，

-确定所述用于与用户交互的元件的当前位置，

-如果所述速度大于给定速度，则旋转方向是通过所述速度给定的方向，并且对用于生成刺激的生成系统进行控制，以使得应用针对所确定的当前位置及所确定的旋转方向记录的力觉模型，

-如果所述速度小于给定速度并且如果所述扭矩或力大于正阈值或小于负阈值，则根据所确定的扭矩或力推断所述用于与用户交互的元件的运动方向，并且对用于生成刺激的所述生成系统进行控制，以使得根据针对该当前位置及所推断的运动方向记录的所述力觉模型来施加刺激。

例如，当所确定的扭矩小于给定值时，不对所述流体施加刺激。

附图说明

基于以下说明及附图，本发明将得到更好的理解，在附图中：

-图1为示出根据本发明的力觉接口的示例的纵截面示意图；

-图2为图1的接口沿平面A-A的横截面图；

-图3为在图1的接口中实施的防护体的一实施例的立体图；

-图4为可以在图1的接口中实施的防护体的另一实施例的立体图；

-图5为力觉接口的另一示例的侧视图；

-图6A至6C为在图5的接口中实施的防护体的不同视图；

-图7至图11以图形形式示出了与角位置(以度为单位)有关以产生不同的力觉模型的设置；

-图12为棘轮及其棘爪的前视图，棘爪的运动能够通过根据本发明的力觉接口重现。

具体实施方式

虽然以下说明描述了旋转力觉接口的示例，这种旋转力觉接口实施磁流变流体，即磁流变流体的表观黏度根据所施加的磁场而改变，但是电流变流体的实施在本发明的范围之内，即电流变流体的表观黏度取决于所施加的电场。

在图1中，能够看到根据本发明的旋转力觉接口的实施例的纵截面图。

力觉接口包括元件1、抵抗轴2的旋转的用于生成阻力的设备4或磁流变制动器以及用于生成力M的第二设备，元件1由用户操作并且在下文中表示为“按钮”，该按钮旋转地固定到以旋转方式绕轴线X运动的轴2上，力M由电磁致动器例如电动机形成并且在下文中表示为“电动机”。在下文的描述中，轴2将表示为“驱动轴2”。电磁致动器可以例如为直流电机型或使得能够不需要电刷并减少转子的惯性的“无刷”型同步电机。

电动机M包括在纵向轴线上对齐的电动机轴M1。轴M1包括面向驱动轴2的自由端布置的自由端。电动机轴M1和驱动轴2机械耦接，以使得至少以旋转方式彼此固定。轴M1和轴2的耦接部分42安装在该轴的自由端附近。耦接部分可以例如是安装在电动机轴M1的端部和驱动轴2的端部的环，这些端部分别设置有与环协作的平坦表面。作为替选方式，轴可以是花键轴并且环可以具有互补的内表面。

作为一变型，单个轴可以形成轴2和轴M1。

作为另一变型，电动机可以具有在每个端处退出的轴，电动机轴的一端固定到轴2的退出端。按钮1固定到电动机轴的未固定到制动器的轴2的那一端。该变型具有如下优点：能够实施具有仅穿过制动器室的壁的轴线的制动器，这使得能够减少制动器的为室提供密封的密封件的数量，并由此减少寄生摩擦。

制动器4包括流体和用于生成磁场的系统6，流体的特性可以使用磁场来修改，系统6容置在壳体8中。例如，流体是磁流变液体。包括壳体、流体和用于生成磁场的系统的单元形成磁流变制动器。

壳体8界定了包含磁流变流体的密封室9。该室的全部或一部分受到系统6生成的磁场的影响。壳体8包括侧壁8.1、下底部8.2和上底部8.3。

轴2穿过上底部8.3、室9和下底部8.2。轴2的与支承按钮1的端部相反的端部2.1穿过壳体8的下底部8.2并且借助于支承件11以旋转方式来引导。密封件13(例如O形环)提供轴和室之间的密封。在示出的示例中，支承件布置在由密封件13界定的密封区域外。

壳体8界定了封闭磁流变流体的密封室。

制动器4还包括元件12，该元件12被旋转地固定到轴2上并且容置在密封室9中。该元件能够与磁流变流体交互，元件12的旋转或多或少根据磁流变流体的表观黏度受磁流变流体减缓。

在所示的示例中，元件12包括具有固定到底部12.3处的圆形横截面的两个同心侧壁12.1、12.2，底部12.3本身与轴旋转地固定。

作为一变型，元件12可以仅包括一个侧壁或两个以上的同心侧壁。作为另一变型，元件12可以由圆盘形成。此外，交互元件可以包括孔和/或突出部或中空部分，以增加对运动的阻碍。

在所示的示例中，壳体8的下底部8.2的形状使得密封室9的内部容积具有与交互元件12的内部容积的形状对应的形状，这使得能够减小所需的流体的量。在所示的示例中，具有固定到壳体上的圆形截面的圆筒元件15被插入在两个侧壁12.1、12.2之间，这有助于磁流变流体在侧壁12.1、12.2被设置成旋转时的剪切效应。

元件12的侧壁12.1、12.2可以由磁性材料或非磁性材料制成。

在所示的示例中，用于生成可变磁场的系统6包括线圈和电流源(未示出)，线圈安装在壳体上并布置在交互元件12内部，电流源由控制单元根据对按钮的操作和预记录的模型来控制。

接口还包括位置传感器14，在所示的示例中，该位置传感器14位于壳体外部并且部分地固定到轴2上。位置传感器14使得能够测量按钮的当前位置，在所示的示例中，该当前位置由当前角位置来表示。位置传感器14可以例如是增量式光学编码器。

接口还包括用于检测用于与用户交互的元件的旋转方向的装置，这些装置例如通过对由角位置传感器提供的位置信息进行处理来形成，这样使得能够通过例如执行在时刻T测量的角位置和在时刻T+ΔT测量的角位置之间的差的计算来确定驱动方向。在位置传感器是提供正交数字信号的编码器(例如增量式光电编码器)的情况下，驱动方向可以直接通过对与正交信号有关的相位进行分析来确定。使用按钮的驱动方向来控制磁流变制动器以及控制电动机。如下文可见，该接口还包括用于测量施加在用于与用户交互的元件上的扭矩的传感器，可以使用该扭矩测量来确定旋转方向。

力觉接口还包括框架16，框架16中布置有壳体8。框架16包括第一端部法兰18和第二端部法兰20以及固定到两个法兰18、20上的侧壁22，第一法兰18被旋转轴穿过，第二法兰被电动机轴穿过。位置传感器14固定在框架的第一法兰上。

接口还包括用于检测用户的动作意图的装置，这些装置在按钮的运动可被用户及施加在接口上的位置传感器感知之前检测由用户施加在按钮上的扭矩。

在所示的示例中，用于检测用户的动作意图的装置包括防护体26和力传感器，将对由用户施加的扭矩引起的防护体26的变形进行检测。图3中单独示出了防护体。防护体26通过纵向端部26.1固定到框架16上并且通过另一纵向端部26.2固定到磁流变制动器(即所示的示例中的壳体8)上。力传感器在防护体26的固定到壳体8上的纵向端部26.2处与防护体相接触。

在图1、图2和图3所示的示例中，防护体26包括圆筒形的主体，该主体具有圆形截面、在纵向端部26.2处通过底部28封闭。环形卡箍30在另一纵向端部26.1处径向朝外延伸。

防护体的内径对应于壳体8的外径加上操作间隙。防护体的底部布置在壳体和框架16的第二法兰20之间。

防护体借助于至少一个穿过法兰18和卡箍30的螺丝32固定到框架上。在所示的示例中，螺丝32还用于将法兰18连接到侧壁28。

防护体的底部28通过至少一个螺丝34固定到壳体8。

防护体26还包括从其与壳体接触的相反的纵向端部26.2突起的元件36。元件36被容置在布置于框架的法兰20中的腔38内。

在所示的示例中，突起元件36具有以纵向轴线为中心的凸出部分的形状。如图2可见，凸出部分36由两个面36.1、36.2界定。腔38具有与凸出部分36的形状对应的形状并且由两个面38.1、38.2界定，每个面38.1、38.2面向凸出部分36的一个面36.1、36.2。力传感器40.1安装在腔的与凸出部分的面36.1接触的面38.1上，并且力传感器40.2安装在腔的与凸出部分36的面36.2接触的面38.2上。点接触式机械触头设置在每个力传感器40.1、40.2和防护体26之间。有利地，力传感器40.1、40.2以预应变方式安装。

因此，当扭矩施加到按钮上时，按钮通过防护体26的扭转经由壳体8本身与流体交互作为媒介而导致变形，流体本身与交互元件12交互，交互元件12本身被连接到轴2。根据按钮的旋转方向，该变形被一个或另一个力传感器40.1、40.2检测到。

防护体例如由诸如ABS之类的塑料材料制成。

防护体的材料和几何特性可以根据所施加的最小扭矩和最大扭矩、力传感器的灵敏度以及所需的检测阈值来确定。此外，防护体的变形使得不会被用户感知。例如，可以认为防护体的几微米的变形不会被用户感知。

作为变型，能够直接在壳体8或旋转轴上测量力，为此将实施扭矩传感器。然而，相较力传感器而言，扭矩传感器成本高且占据大量的空间。而且，扭矩传感器提供精确且校准的扭矩值，虽然该信息在本发明的框架内并没有益处。

力传感器例如使用以惠斯通电桥形式组装的压阻元件来实现，这些压阻元件允许每牛顿大约几十mV的灵敏度以及足够高的硬度以在满载时将运动限制到几十微米。作为替选方式，一个或多个力传感器可以用一个或多个例如由直接施加到防护体上的应变仪形成的变形传感器替代以检测防护体的变形。

由于电动机M机械链接到框架的第二法兰16，所以不会干扰对驱动轴上的扭矩的测量。

在图4中，可以看到防护体126的另一示例，该防护体126的大体形状与防护体26的形状相同，但是还包括在防护体126的侧壁中的纵向孔127。优选地，孔127以规则的方式成角度分布。在该实施例中，防护体具有非常大的变形能力。该防护体例如由铝合金制成。

相对于纵向轴线倾斜和/或具有除直线以外的形状(例如弯曲形状)的孔在本发明的范围内。而且，孔不一定全部具有相同的尺寸。

有利地，装置可以设置成在轴向扭转应变作用下放大防护体的变形、同时仍然减小在本发明的框架内不相关的任何其他应变(诸如例如，由用户寄生地施加到按钮上的径向应变)导致的防护体的变形。因此，提高了检测的灵敏度，并且能够消除干扰或错误检测。

图1至图4中的防护体的示例使得能够通过将传感器布置在尽可能最大的直径上来增加测量设备的灵敏度。

在所示的示例中并且有利地，突起元件的壁36.1和36.2相对于彼此成90°布置。与力传感器40.1和40.2处的点触头相组合的该定位使得能够破坏防护体的变形应变，并且能够根据位于框架16的平面中的两个正交分量来支持对力的灵敏度。因此，例如，垂直于框架16的平面施加的寄生力的灵敏度显著降低。此外，对由传感器40.1和40.2测量的正交力的分量的计算或算法处理，诸如例如在优选地通过荷载预应力组装传感器的情况下，基于由两个传感器的公共测量分量加权的两个传感器之间的测量差的计算，使得能够在一定程度上降低对与框架16的平面平行地施加的寄生力的灵敏度。

力觉接口还包括控制单元CU，当前位置传感器、用于检测按钮的旋转方向的装置、扭矩传感器、用于生成磁场的装置以及电动机连接到该控制单元CU。控制单元处理由传感器传送的信号并为用于生成磁场的装置和电动机生成命令。

现在将对设备的操作示例进行描述。

用户绕按钮的轴线沿第一旋转方向转动按钮并将按钮置于定义的角位置诸如止动。将磁场施加到磁流变流体，以使磁流变流体的表观黏度的变化在用于与流体交互的元件上生成扭矩，沿第一旋转方向模拟按钮处的止动。

如果用户在第一旋转方向上保持按钮上的力，则防护体26会经由壳体受到扭力矩的作用，壳体本身与流体交互，流体本身与交互元件12交互，交互元件12本身被连接到轴2。

该变形通过沿第一旋转方向布置在下游的力传感器进行测量。知道哪一个力传感器被驱动使得能够知道用户意图转动按钮的方向。优选地，能够将来自以荷载预应变方式组装的两个力传感器的测量值相结合来确定用户意图转动按钮的方向。检测最小扭矩使得能够确认用户确实意图枢转按钮。然后，可以由此推断用户意图使按钮保持在止动处。保持磁场不变以经由黏性磁流变流体来抵抗用于交互元件12的运动的力。

如果用户意图沿与第一方向相反的第二方向转动按钮，则通过考虑第一旋转方向布置在上游的力传感器将被驱动。优选地，可以将来自以荷载预应变方式组装的两个力传感器的测量值相结合以确定用户意图转动按钮的新的方向。可以由此推断用户意图，该意图可以通过检测最小扭矩来确认。在这种情况下，磁场被取消，流体的表观黏度大大减小，交互元件因而可以沿第二方向旋转而不会感觉到粘连效应。因此，可以使用本发明重现对自由轮的操作。

图5和图6A至6C示出根据本发明的接口12的另一实施例，接口12包括框架216、制动器204、具有车轮形状的防护体226和用于与用户交互的元件201，用于与流体交互的元件未示出。

车轮包括轮毂228、外圈232和将轮毂228连接到外圈232的轮辐230。

在该示例中，轮毂228例如通过轴向地穿过轮毂228的螺丝被固定到接口的壳体上，外圈232例如通过轴向地穿过外圈的螺丝被固定到框架上。

两个力传感器240.1、240.2被布置成每个力传感器支承于轮辐230并且相对于轮辐230布置成使得当沿一个旋转方向驱动防护体226时，仅有一个传感器被驱动。力传感器固定在框架216上并且支承于轮辐230的一个面。作为替选方式，力传感器能够以荷载预应变方式组装，或者如上所述由布置在防护体上并在扭力矩的作用下检测例如轮辐的变形的伸长仪代替。更一般地，力传感器可以由变形传感器代替。

该设备的操作与上文所描述的图1的设备的操作类似。

有利地，可以添加使得能够将机械应力施加到防护体的装置，诸如用于以旋转方式或平移方式引导的装置，该装置使得能够通过以荷载预应变方式组装力传感器来减少力传感器的数量。

电子系统对来自这些力传感器或变形传感器的数据进行处理，以确定用户施加到接口上的扭矩是否超过预定的阈值。同样确定扭矩符号并且能够知道用户意图移动按钮的方向。

如上文所指示的，不需要知道扭力矩的实际值，知道扭力的方向就足够了。因此，只要在接口不进行任何旋转的情况下传感器足够灵敏以检测作用在接口上的最小扭矩，就能够实施至少能够检测力或变形的二进制阈值或单调函数的低成本传感器，而不需要任何线性、动态、分辨率等类型规格。该传感器还使得能够保持最大力不降低。

电动机M旨在以低扭矩使轴2直接运动，并因此移动按钮，而不会对用户造成危险。事实上，电动机不能施加非常高的扭矩。因此，电动机的尺寸可以较小，这有助于将电动机集成到接口中并创建尺寸减小的接口。此外，由于电动机无意于持续运行，因此相对于仅使用电动机的力觉接口而言，该接口的电能消耗减少。

而且，根据本发明的力觉接口使得能够生成大量的力觉模型。为了信息的目的，其中一些力觉模型将在下文中描述，但是这不是对可以通过根据本发明的接口创建的力觉模型的完整描述。

如上文所描述的，接口包括密封件13以为包含磁流变流体的室提供密封。这些密封件在轴2上施加摩擦，生成对感知到的力觉有害的怠速扭矩。

有利地，可以控制电动机以抵消该怠速扭矩。例如，控制电动机以辅助按钮以旋转方式运动。电动机M可以在没有磁场施加到磁流变流体时被启动以抵消怠速扭矩。例如，在设计接口期间，测量或估算怠速扭矩，并且将控制单元编程为控制电动机以使之抵消该怠速扭矩。

非常有利地，可以使用用户的意图通过控制电动机来大大改进力觉感。事实上，一旦检测到该意图，电动机就被启动来抵消该怠速扭矩，因此用户可能从来不会感觉到密封件的摩擦所固有的该怠速扭矩。在实施磁流变制动器和电动机两者的操作模式的情况下，知道用户的动作意图也是有益的，对这些元件的控制以更具反应性的方式来执行，用户几乎不会感知这些转变。

也可以致动电动机来生成振动，由于两个驱动轴以旋转方式链接，所以振动被传送到驱动轴，该振动例如给出了告警类型的力觉指示。

此外，能够重现弹簧效应，例如当以旋转方式在轴线上操作弹簧(例如螺旋弹簧)时所感觉到的感知。例如为了使按钮回到稳定位置，可能需要重现这种效应。

对接口进行控制以根据旋转方向和角位置在按钮上施加抵抗按钮旋转的力或回复力。

弹簧由刚度k来表征。

控制单元为用于生成磁场的装置和电动机生成命令以给按钮应用图7所示的设置，该设置是线性函数，其零值对应于弹簧的稳定位置，希望模拟按钮上的动作，即按钮的其余位置。图7示出了在设置S中根据旋转角度θ的振动，此处θ以度为单位。

180°的角度对应于弹簧的稳定位置或者待模拟的其余状态。

所生成的命令取决于按钮的角位置和旋转方向。事实上，运动离开稳定位置E越远，抵抗驱动轴的运动的力越大。当旋转方向接近按钮的稳定位置时，用户感受到回复力。待施加到用于与用户交互的元件上的力的符号取决于旋转方向。

可以使用不同的控制来获得弹簧的力觉模型。

根据第一操作模式，电动机能够传递足够的扭矩用于模拟弹簧效应，然后仅控制电动机。对力觉模型进行编程以使得180°的角度被认为是弹簧的稳定位置E或其余状态。当按钮通过运动远离位置E旋转时，控制电动机以生成针对该旋转的阻力矩。该扭矩的强度取决于“其余”位置和按钮的当前位置之间的差。该差越大，由电动机生成的扭矩将越大，由此模拟了弹性回复。如果用户释放按钮，则由电动机施加的扭矩将趋向于使按钮返回到其稳定位置E。按钮越接近E，电动机所施加的扭矩越小。最后，按钮返回到初始位置E，对电动机的控制变成零并且系统的残余摩擦使接口固定。

根据另一操作模式，控制磁流变制动器以在按钮从其平衡位置旋转时生成阻力矩。当按钮上的力被释放时或者当该力小于弹簧的回复力时，控制电动机以将按钮置于其平衡位置。

应该理解的是，仅通过示例来提供角度值，该角度值绝非限制。

图8示出了意图通过考虑单独使用电动机的操作模式来重现具有三个位置的转位行为的力觉模型。

该按钮以以下方式进行操作。当用户在按钮上施加足够的扭矩时，按钮穿过凹槽并进入下一平衡位置。

平衡位置表示为E1、E2、E3。

当按钮例如运动远离平衡位置E2时，即从120°角度开始以顺时针方向或逆时针方向枢转按钮但是在不枢转到达180°或60°角度时，按钮在电动机M的作用下返回到其第二平衡位置E2。例如，当按钮到达180°的位置时，模拟凹槽并且按钮由于目前通过取决于相对于位置E3的参考位置并将按钮驱动到平衡位置E3的扭矩来控制的电动机的作用而穿过到第三平衡位置E3。该从180°处的位置通过到240°处的位置由箭头F来示意性表示。

在一个或多个稳定位置周围可能会产生不稳定性。例如，当控制可以为接口的内部摩擦的量级的较小力时，可能会出现根据电动机实现的急动或没有运动。通过足以处于平衡位置的跳跃力或偏移OFS(图9所示)，控制电动机以生成比接口的内部摩擦大的力。

图10示出了对另一力觉模型的控制，其中，该力觉模型除了在没有由电动机和制动器生成力的平衡位置E周围设置有偏移OFS之外，还设置有角范围ANG。还可以相对于通过图9的设置控制的平衡位置来改进接口在平衡位置周围的稳定性。

在图11中，能够看到施加到电动机和制动器上的力觉模型的设置。如上文所解释的，电动机优选地适于在制动器可以提供相当大的扭矩的同时应用低扭矩。然后，有利地，可以设置成控制电动机，以使得在第一角范围P1(示出的示例中范围为[180°；280°])内单独施加阻力，然后在第二角范围P2内，制动器也被启动以施加被添加到由电动机生成的力上的附加阻力。

由电动机生成的力表示为F_M，由制动器施加的力表示为F_B，并且总的力表示为F_T。

电动机和制动器的实施能够使突变最小并增大力觉交互的流动性。然后，批准进行力觉交互，并且交互的透明度增大。

应该理解的是，这种类型的设置无法以完全对称的方式用于对弹簧的模拟，这是由于制动器无法模拟第二范围P2内的回复力。尽管所获得的剖面图由于当用户使按钮运动抵靠弹簧时生成的力F_T，以及当用户释放其动作时生成的力F_M而具有不对称性，但是力觉感仍然足以被刚度高的弹簧吸收。

根据本发明的力觉接口还使得能够重现图12中示出的棘爪CL沿棘轮RR的运动。

棘爪CL的端部在棘轮RR的包括平坦区域ZP和凹陷区域ZC交替的外周上运动，其中凹陷区域通过沿轮辐延伸的径向平面RP连接到平坦区域。平坦区域ZP以锐角连接到凹陷区域ZC。当棘爪沿顺时针方向在棘轮外周上运动时或者当轮沿逆时针方向相对于棘爪CL运动时，棘爪例如在凹陷区域ZC上滑动，为此控制制动器以创建粘性摩擦。为了重现棘爪在平坦区域ZP上的运动，控制电动机和/或制动器以模拟弹簧效应。如果棘爪CL沿逆时针方向运动或轮沿顺时针方向运动，则当棘爪与径向平面接触时将模拟虚拟止动器。为此，控制制动器和/或电动机以生成足以模拟止动器的力。

非常有利地，根据本发明的力觉接口可以用于模拟需要对位置进行绝对表示的系统。事实上，可以控制电动机以使按钮返回到期望位置。例如，在模拟具有不同凹槽并且包括具有标记或虚拟标记的按钮的旋转接触器的旋转力觉接口的情况下。如果接口的电力中断并且用户操纵接口，则在恢复供电期间，电动机可以将按钮重置于其在电源切断之前的位置。在没有电动机时，接口无法进行重置。然后，会导致在由用户感知的按钮的标记或虚拟标记和由力觉模型预期的接口的位置之间出现偏移。

可以以以下方式来执行对系统的控制。按钮的当前位置以规则方式存储在控制电子设备中。这可以通过将该信息存储在非易失性存储器中来实现。在电力切断的情况下，该系统因此具有对按钮的最终位置的记忆。当电力恢复时，控制电子装置被初始化，然后将按钮的当前位置与非易失性存储器中记录的最终位置进行比较。然后，例如以恒定速度控制电动机，直到按钮的当前位置等于所存储的位置。然后，电动机停止，并且接口变得可操作。作为替选方式，能够生成“弹簧效应”类型的控制，其中弹簧的稳定位置对应于在非易失性存储器中记录的最终位置。然后，按钮返回到其最终位置，如同其被回位弹簧驱动一样。

应该理解的是，所描述的力觉模型的示例是非限制性示例。

Claims (21)

1.力觉接口，包括：

-用于与用户交互的元件(1)，能够于沿第一方向和第二方向运动，

-用于与流体交互的元件(12)，所述流体的黏度根据外部刺激而改变，所述用于与流体交互的元件(12)至少以平移方式或至少以旋转方式与所述用于与用户交互的元件(1)固定在一起，

-测量装置，用于测量所述用于与用户交互的元件(1)的当前角位置(14)，

-用于确定所述用于与用户交互的元件的旋转方向的装置，

-制动器，包括流体和生成系统(6)，所述流体的表观黏度根据外部刺激而改变，所述生成系统用于在所述流体中按指令生成所述刺激，所述用于与流体交互的元件(12)布置在所述流体中，

-旋转机电装置，包括以旋转方式固定到所述用于与用户交互的元件的轴，

-控制单元(CU)，能够为用于生成所述刺激的所述生成系统和所述旋转机电装置生成命令以修改刺激值，

-用于检测由用户施加在所述用于与用户交互的元件(1)上的扭矩的装置，在所述用于与用户交互的元件以旋转方式运动的情况下，为了知道扭矩的方向以及所述扭矩是否大于给定方向上的给定值，至少在检测到所述用于与用户交互的元件(1)的速度为零或较低时，所述控制单元基于所获得的有关所述扭矩的信息来控制用于生成所述刺激的所述生成系统(6)。

2.根据权利要求1所述的力觉接口，其中，所述旋转机电装置(M)包括电动机。

3.根据权利要求1或2所述的力觉接口，其中，用于确定所述用于与用户交互的元件的旋转方向的装置由所述用于检测由用户施加在所述用于与用户交互的元件上的扭矩的装置形成，或者使用用于测量所述用于与用户交互的元件(1)的当前角位置(14)的所述测量装置的时间变量。

4.根据权利要求1或2所述的力觉接口，其中，所述控制单元(CU)被配置成为所述旋转机电装置(M)生成命令以将所述用于与用户交互的元件(1)置于至少一个给定位置。

5.根据权利要求1或2所述的力觉接口，其中，所述控制单元(CU)被配置成为所述旋转机电装置(M)和用于生成所述刺激的所述生成系统生成命令，以使得所述旋转机电装置和所述生成系统同时作用于所述用于与用户交互的元件(1)上。

6.根据权利要求1或2所述的力觉接口，其中，所述控制单元(CU)被配置成为所述旋转机电装置(M)生成命令以使所述旋转机电装置给所述用于与用户交互的元件(1)施加扭矩，该扭矩抵消在所述用于与用户交互的元件(1)上施加的摩擦。

7.根据权利要求1或2所述的力觉接口，其中，所述控制单元(CU)被配置成为所述旋转机电装置(M)和用于生成所述刺激的所述生成系统生成命令，以使得根据所述用于与用户交互的元件(1)的至少一个给定角位置，当所述用于与用户交互的元件(1)沿第一方向和与第一方向相反的第二方向旋转时，用于生成所述刺激的所述生成系统和/或所述旋转机电装置(M)作用于所述用于与用户交互的元件(1)上以抵抗所述用于与用户交互的元件(1)的旋转，并且使得至少在所述用于与用户交互的元件(1)沿第一方向或第二方向朝向给定角位置枢转时，所述旋转机电装置(M)辅助所述用于与用户交互的元件(1)的旋转。

8.根据权利要求7所述的力觉接口，其中，所述控制单元(CU)被配置成使得当所述用于与用户交互的元件(1)处于所述给定角位置时，为所述旋转机电装置(M)和/或用于生成所述刺激的所述生成系统生成命令以给所述用于与用户交互的元件(1)施加非零力。

9.根据权利要求7所述的力觉接口，其中，所述控制单元(CU)被配置成使得当所述用于与用户交互的元件(1)处于所述给定角位置的任一侧的角区域中时，为所述旋转机电装置(M)和/或用于生成所述刺激的所述生成系统生成命令以不给所述用于与用户交互的元件(1)施加任何力。

10.根据权利要求9所述的力觉接口，其中，所述控制单元(CU)被配置成使得当所述用于与用户交互的元件(1)处于所述角区域的末端时，为所述旋转机电装置(M)和/或用于生成所述刺激的所述生成系统生成命令以给所述用于与用户交互的元件(1)施加力。

11.根据权利要求1或2所述的力觉接口，其中，所述用于检测由用户施加在所述用于与用户交互的元件(1)上的扭矩的装置包括至少一个力传感器(40.1，40.2，240.1，240.2)。

12.根据权利要求1或2所述的力觉接口，其中，所述用于检测由用户施加在所述用于与用户交互的元件(1)上的扭矩的装置包括由施加到所述力觉接口的元件之一上的扭矩或力引起的变形的至少一个传感器。

13.根据权利要求1或2所述的力觉接口，包括：防护体(26，126，226)，所述防护体被布置成在由用户施加在所述用于与用户交互的元件(1)上的扭矩的作用下变形，所述用于检测由用户施加在所述用于与用户交互的元件(1)上的扭矩的装置与所述防护体(26，126，226)相接触。

14.根据权利要求1或2所述的力觉接口，其中，所述流体是磁流变流体，所述刺激是磁场。

15.根据权利要求11所述的力觉接口，其中，所述力传感器以预应变方式安装。

16.用于控制根据权利要求1至15中任一项所述的力觉接口的方法，所述方法包括以下步骤：

-测量所述用于与用户交互的元件的当前位置，

-将所述当前位置记录在非易失性存储器中，

-测量所述用于与用户交互的元件的当前位置，

-将所测量的当前位置与所记录的当前位置进行比较，

-控制所述旋转机电装置以使所测量的当前位置对应于所记录的当前位置。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，测量所述用于与用户交互的元件的当前位置的步骤在所述控制单元的电力中断之后执行。

18.用于控制根据权利要求1至15中任一项所述的力觉接口的方法，其目的是重现弹簧式力觉模型，所述方法包括以下步骤：

-测量所述用于与用户交互的元件的当前位置，

-确定所述用于与用户交互的元件的旋转方向，

-控制旋转机电装置以用于沿所述用于与用户交互的元件的运动方向施加力，或者

-控制所述旋转机电装置和/或用于生成所述刺激的所述生成系统以施加抵抗所述用于与用户交互的元件的运动的力。

19.用于控制根据权利要求1至15中任一项所述的力觉接口的方法，所述方法包括以下步骤：

-控制旋转机电装置以用于沿所述用于与用户交互的元件的运动方向施加力，以使得所述旋转机电装置施加扭矩，该扭矩抵消在所述用于与用户交互的元件上施加的怠速扭矩。

20.用于控制根据权利要求1至15中任一项所述的力觉接口的方法，所述方法包括以下步骤：

-根据由所述测量装置提供的信息而确定所述用于与用户交互的元件的速度，所述测量装置用于测量所述用于与用户交互的元件的当前位置，

-确定施加到所述用于与用户交互的元件上的扭矩，

-确定所述用于与用户交互的元件的当前位置，

-如果所述速度大于给定速度，则旋转方向是通过所述速度给定的方向，并且对用于生成刺激的生成系统进行控制，以使得应用针对所确定的当前位置及所确定的旋转方向记录的力觉模型，

-如果所述速度小于给定速度并且如果所述扭矩或力大于正阈值或小于负阈值，则根据所确定的扭矩或力推断所述用于与用户交互的元件的运动方向，并且对用于生成刺激的所述生成系统进行控制，以使得根据针对该当前位置及所推断的运动方向记录的所述力觉模型来施加刺激。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，当所确定的扭矩小于给定值时，不对所述流体施加刺激。

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